厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展_孟晓山.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展孟晓山，汤子健，陈琳，呼和涛力，周政忠（常州大学城乡矿山研究院，生物质高效炼制及高质化利用国家地方联合工程研究中心，江苏 常州 213164）摘要：厌氧消化是有机废弃物资源化利用的重要技术之一，但在实际工程运行中，由于物料特性以及操作参数等因素变化，易引起有机酸累积，造成系统产气率下降，甚至酸化失败问题。本文在总结国内外研究进展的基础上，简述了酸累积的危害，剖析了引起酸化的主要原因，并分别从酸化预警、酸化调控两方面总结了厌氧系统在酸化前后所需采取的应对措施，建议进一步加强酸化预警指标体系的完善，突破环境耐受型微生物菌群驯化技术瓶颈，同时开展基于内源酸碱缓冲体系增强厌氧系统抗冲击性能方面的研究，以期为提高厌氧消化反应器的处理效率和运行稳定性提供参考。关键词：厌氧消化；监测指标；酸化预警；调控技术；酸碱缓冲体系中图分类号：X705 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1595-11Research progress of the early warning and regulation techniques for excessive acidification in the anaerobic digestion systemMENG Xiaoshan，TANG Zijian，CHEN Lin，HUHE Taoli，ZHOU Zhengzhong(National-Local Joint Engineering Research Center of Biomass Refining and High-Quality Utilization,Institute of Urban and Rural Mining,Changzhou University,Changzhou 213164,Jiangsu,China)Abstract:Anaerobic digestion(AD)is an important technology for the resource utilization of organic wastes.However,the fluctuations in the waste characteristics and operating parameters during the actual engineering operation might cause the accumulation of volatile fatty acid(VFAs),thereupon,resulting in the depression of biogas production and even the failure of AD due to over acidification.Based on the review of research progress both at home and abroad,this study describes the mischiefs of VFAs accumulation briefly,dissects the major causes of acid accumulation,and summarizes the counter measures from the two aspects of early-warning monitoring and regulation means required before and after acidification,respectively.Hereon,the authors suggest further strengthening the perfection of early-warning index system for the acidification during AD process,breaking through the bottlenecks of acclimation technology to obtain environment-tolerant type microbial flora,and researching the method based on endogenous acid-alkaline buffering system to reinforce the shock resistance of the AD reactor,attempting to provide some reference for enhancing the efficiency and stability of AD reactors in practice.Keywords:anaerobic digestion;monitoring indicators;acidification early warning;regulation technique;acid-alkaline buffer system综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0962收稿日期：2022-05-24；修改稿日期：2022-11-03。基金项目：常州市重点研发计划（应用基础）（CJ20210115）；江苏省高等学校基础科学（自然科学）面上项目（21KJB610004）；江苏省碳达峰碳中和科技创新专项（BE2022426）。第一作者：孟晓山（1988），男，博士，讲师，研究方向为生物质生化转化。E-mail：。通信作者：周政忠，博士，副教授，研究方向为水处理技术、膜分离技术与应用。E-mail：。引用本文：孟晓山,汤子健,陈琳,等.厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展J.化工进展,2023,42(3):1595-1605.Citation：MENG Xiaoshan,TANG Zijian,CHEN Lin,et al.Research progress of the early warning and regulation techniques for excessive acidification in the anaerobic digestion systemJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1595-化工进展，2023，42（3）厌氧消化（anaerobic digestion，AD）是一种环境友好型有机废物资源化利用方法，削减污染的同时将有机废物转化为甲烷，可助力“双碳目标”实现1。其各阶段都对应着特定的微生物，它们有着不同的酸碱环境需求（图1），但之间仍能形成相互依存的微生物群落，进行着高度交互且有序的作用，共同维持着各反应之间的平衡，保持AD系统的稳定性，进而获得高容积产气率以及底物甲烷化率4。然而，反应器的运行效率往往受到多重因素影响，如原料性质、系统 pH、有机负荷（organic loading rate，OLR）、水 力 停 留 时 间（hydraulic retention time，HRT）以及毒性物质（氨氮、游离酸、硫化氢）累积等（图2）5。当系统运行状态发生变化时，特别是在高OLR或产甲烷菌受到胁迫下，系统中产甲烷菌的耗酸速度将明显慢于细菌的产酸速度，导致挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）不断积累。作为有机物甲烷化过程关键的中间代谢产物，VFAs的动态浓度直接关系到微生物的活性和产甲烷效率，进而影响厌氧反应器的稳定性和处理效率。当系统受到冲击负荷或毒性抑制，VFAs不能被及时代谢消耗并累积在反应器中，系统逐步酸化并反馈抑制产甲烷菌活性，如此恶性循环导致系统酸化崩溃1。因此，采取调控措施缓解酸抑制作用，可以恢复或提升AD产甲烷效率，对于有机废物减量化及二次污染防治具有重要意义。据报道，可通过监测系统理化指标对系统运行状态进行指示，并据此调整AD工艺参数以缓解酸化。VFAs浓度、氨氮浓度、pH、碱度、沼气产量及其成分等常规监测指标对系统酸化有一定的指示作用6，但存在明显的滞后性。当监测到这些参数波动时，系统可能已经发生了初步酸化，此时再进行工艺调整，无论是难度还是成本都将急剧增大2，需要对酸化预警进行系统性的研究，开发相应的调控技术，以长效保持沼气工程的稳定运行。随着相关研究的关注与深入，酸抑制的表现、形成机制、监测与应对均有一定的研究或报道，推图1厌氧消化过程2-3图2厌氧消化反应器运行效率影响因素 15962023年3月孟晓山等：厌氧消化系统酸化预警及调控技术研究进展动了酸化问题解析及应对技术的发展。本文将从AD系统酸化产生的原因与危害、预警方法体系、调控技术3个方面对近年来国内外相关研究进行归纳，以期为厌氧反应器酸化问题的科学、精准调控提供参考。1 酸化的危害及形成机制1.1 酸累积的危害受物料特性及操作参数波动的影响，系统中发酵产酸和产甲烷耗酸的平衡容易被打破，严重时出现VFAs的大量积累，超过了厌氧菌的承受能力，系统逐步酸化。酸化会直接抑制产甲烷菌活性，使菌群结构发生改变，古菌的数量逐渐减少直至系统完全崩溃。表1列举了不同底物AD过程遭遇的酸化情况，可见酸化存在于各种有机废物的AD过程中，以餐厨垃圾最为典型。酸化将导致系统pH降低15、沼气产率下降7、总固体（total solid，TS）和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）去除率均下降9,11等问题。此外，不同底物或者负荷下AD发生酸化时VFAs浓度有所不同，不同的运行模式酸化程度也不一致，连续式进料对系统的冲击相对较小，物质组成相对稳定，耐冲击负荷能力强，这可能与接种比（inoculum to substrate ratio，ISR）有关。低ISR下产甲烷微生物量少，使产甲烷成为限速步骤，VFAs浓度可能随之不断累积，增加酸化和酸抑制的风险，而高ISR中底物对系统的冲击负荷较低，水解酸化产生的VFAs能够及时被产甲烷古菌快速消耗，但较高的ISR会降低反应器的处理效率，ISR应根据的底物类型及组成来选择18。1.2 酸化的成因微生物对环境的适应能力不同，产乙酸菌的pH适应范围在4.08.5，而产甲烷菌最活跃和最佳的pH范围却在6.77.4和7.07.2之间，当pH低于6.3或高于7.8时，产甲烷速率可能会下降（图1）19-20。因此，系统环境的变化可能会扰乱微生物间的协同状态，一旦改变关键微生物的活性，系统将变得不稳定21。例如，系统pH降低会增加游离VFAs的比例，游离态VFAs进入细胞解离出的H+会造成细胞质的酸化，作为应对机制，细胞通过质子泵主动将H+运输到胞外，此过程产生额外的能量消耗会降低细胞的整体代谢水平5。长此以往，微生物的活性可能被完全抑制，进而造成系统的完全崩溃。此外，产甲烷菌不能直接利用丙酸、丁酸等VFAs，需要互营产乙酸菌将其进一步转化为乙酸、CO2和H2才能被古菌利用22，延长了产甲烷周期，不利于系统本身对酸化的解除。除VFAs外，氨氮也是AD中常见的抑制因素。含氮有机物在反应初期即释放大量的氨氮，以游离氨（free ammonia nitrogen，FAN）和 铵 离 子表1几种典型有机废弃物厌氧消化酸化情况底物餐厨垃圾餐厨垃圾餐厨垃圾餐厨垃圾屠宰废水鸡粪鸡粪猪粪杂交狼尾草稻草蔬菜废物运行模式半连续连续式半连续半连续连续式连续式半连续半连续连续式有机负荷0.63kg/(m3d)8.0kg/(m3d)7.5kg/(m3d)1.0g/(Ld)6.0g/(Ld)6.0g/(Ld)9.0g/(Ld)4.0g/(Ld)2.0g/(Ld)1.5g/(Ld)温度/36353837361262352553713713735挥发性脂肪酸